电火花加工技术的发展及趋势1. 1电火花加工的发展趋势1·1电火花加工精密化电火花加工的精密化可以理解为两方面的内容:一是加工尺寸上的精密性,二是加工表面质量的精密性。
在电火花加工过程中,与尺寸精度有直接关系的因素是放电间隙和电极损耗。
加工间隙的一致性、稳定性以及电极损耗的大小直接影响电火花加工的精度。
精密的电火花加工,加工过程中应保持较小的放电间隙,并使放电间隙稳定在一个较小范围内。
而放电间隙的调整与极间状态密切相关,实时、准确地检测出两极间的放电状态,则为调整两极间合适的放电间隙提供了必要的条件,加工间隙的准确调整还有赖于合理的伺服控制策略等[2-3]。
由于电火花加工状态复杂多变,为加工状态的检测和放电间隙的控制增加了难度。
因此,需加强电火花加工状态的检测、加工间隙的控制以及加工电源的稳定性等方面的研究。
实现电火花精密加工时,要采用精加工规准来完成工件的尺寸精度和表面精度。
然而,电火花加工过程中,均不同程度存在工具电极损耗。
虽然人们从工作液的种类、电源、控制、工作介质、电极材料等多方面对电极损耗进行了广泛的研究,在减少电极损耗方面取得了一定的研究效果。
但是到目前为止,在精加工和微细加工中,电极损耗现象还是比较严重。
电极损耗的存在必然对电火花加工的尺寸精度产生影响,需要对工件进行多次加工以补偿由于电极损耗而造成的尺寸偏差,这样增加了加工时间和加工成本。
因此,如何降低工具电极的损耗,从而实现高速、低损耗的精密加工是电火花加工不断追求的目标[4-5]。
电火花加工表面质量的精密化是加工精密化的另一方面的内容。
电火花加工表面是一系列的微小放电凹坑重叠组成的,一般的加工条件下表面有微裂纹,为达到较好的加工表面,需要在电火花之后增加手动抛光工序,这增加了工人的劳动强度和加工成本,制约电火花加工速度的提高,不利于自动化加工实现。
因此,实现电火花加工表面质量的精密化仍是今后的研究发展方向。
较小面积的电火花加工可以通过精微加工电源实现,微能电源对电火花加工表面质量的改善很有效果,能够达到较好的表面质量。
例如已研制的一种低速走丝电火花线切割加工机床可直接进行精密模具或零件的加工。
这种机床的先进之处是防电解(AE)电源的开发。
AE电源能防止工作液中氢氧根负离子在工件上的沉积,形成所谓的“变质层”,并能防止硬质合金工件中钴结合离子溶解于水中,形成所谓的软化层,可以加工出更好的工件的表面质量[6]。
目前,这种精微、微能脉冲电源的研制是国内外研究的热点,各厂家及研究机构对此关键技术是保密的,因此我国对这方面的技术还需要更深入的研究。
大面积的电火花成型加工表面的精密化,目前普遍使用的加工方法是混粉电火花加工技术,可以实现加工表面的镜面加工效果,加工出的工件表面微裂纹少,工件的表面性能得到提高[7-8]。
除了对该技术的加工机理和工艺进行研究外,较大面积的混粉电火花加工专用脉冲电源是其关键技术。
目前,国外已经有专门的混粉电火花设备,如日本Sodick公司的PIKA系列电源等,而我国在国产的机床上没有配备实现混粉加工的专用电源和装备,因此对混粉电火花加工工艺及混粉专用设备的开发还有研究和提升的空间[9]。
1·2电火花加工微细化生产实际的需要使得微机电系统的应用越来越广泛,微细化发展成为机械制造业的重要发展方向,其中微细电火花加工技术是实现微细加工的重要加工方法之一[10]。
这是由电火花加工的特点所决定的,即工具与工件之间几乎没有宏观的作用力,且不受工件硬度的制约,有利于实现加工尺寸的微细化。
电火花线磨削技术WEDG (W ire Electric Discharge Grinding) 的出现,使微细电火花加工进入了实用化阶段[11],因此微细电火花加工技术是今后一个重要的发展方向。
微进给装置是实现微细电火花加工的前提和保证,因此微细进给装置和高精度的回转主轴的设计及控制是研究重点;同时,能够提供极间极少能量的微能量电源的研究也是今后发展的重点。
由于微细电火花加工对工件和电极等特殊要求,对加工过程的检测和控制以及电极损耗等问题的解决也是微细电火花加工的关键技术[12-13]。
微细电火花加工所需能量微小, 工具电极的尺度微小,加工速度较慢,因此需要不断完善能够实现较大加工速度的技术手段,例如微细多孔加工。
目前,微细多孔电火花加工技术有:用微细阵列电极加工阵列孔[14],另一种是由增泽隆久等人提出的方法,即微细电火花加工该装置有两套线电极磨削系统(WEDGA和WEDGB), WEDGA对工具电极进行粗加工, WEDGB对工具电极进行精加工,合理地控制WEDA和WEDGB的相对位置就能得到不同尺寸的微细电极,用微细工具电极加工微细孔[15]。
此外,利用工件的超声振动来提高微细电火花的加工速度取得了良好的结果[16]。
1·3电火花加工的高速高效化同传统的切削加工相比,电火花加工速度和加工效率很低。
因此,高速高效化是电火花加工技术的发展方向。
根据现有对电火花加工机理的研究情况来分析,提高电火花加工速度和加工效率,可以从以下几方面来实现: (1)研究新型的电火花节能电源。
此方法是从提高电火花电源的使用效率入手从而提高电火花加工效率。
这是因为传统的电火花加工电源的效率很低,电能的利用率不到30%,大部分的能量被限流电阻被消耗了。
因此开发新的节能电源,有效提高电火花加工电源的使用效率,减小电源的能量损耗是提高电火花的加工效率的一种有效方法[17-18]。
(2)采用电火花铣削加工技术,即使用简单形状的电极进行类似于数控铣削加工的电火花铣削技术的也是提高的火花加工速度的一种方法,并可实现电火花加工的自动化。
尤其在加工形面复杂的工件时,电火花铣削加工更是具有独特的优点。
这是因为电火花铣削加工技术无需制作复杂的电极,省去了电极制作的大部分时间,因此可提高加工速度。
由于电火花加工过程中电极损耗的存在,电火花铣削加工技术必须考虑电极损耗补偿的问题,而电火花加工过程的复杂性和众多的影响因素,使得实现电极损耗的在线、实时补偿成为该技术的难点和重点,因此实现在线实时补偿是该技术的重要研究内容[19-20]。
在此值得一提的是,气体介质中电火花加工由于电极损耗非常低,在气体介质中进行电火花铣削加工,则有利于实现或简化电极损耗补偿,实现加工过程的自动化,减小了加工辅助时间,是实现三维复杂形状高速加工的有利手段[21],因此应对气中电火花技术进行深入的研究。
(3)提高电火花加工机床伺服系统的响应是提高加工速度的另一种方法。
据估算,在电火花成型加工中,抬刀、跳跃和排屑的时间占到总加工时间的60% ~80%,电火花有效加工时间较少,为此日本Sodick公司将直线电机应用于电火花加工机床的伺服系统,直线电机拥有高速度和高加速度,可使电火花的加工速度提高40% ~60%[22-23]。
同传统的电火花加工相比,直线电机加工速度和加工稳定性好,即使是在加工排屑不·175·第2期李立青等:电火花加工技术研究的发展趋势预测畅或者不加冲油的深小孔加工时,加工的稳定性也很好,因此是实现电火花高速加工的有力手段。
此外,具有快速响应装置如电磁式线性驱动装置、压电元件和磁致伸缩振子驱动装置等的应用有利于提高电火花加工速度。
(4)利用先进技术手段提高电火花加工速度。
计算机技术和智能技术等技术的发展,可促进电火花机关技术的发展,将这些先进技术应用到电火花加工中,可以提高电火花加工速度。
目前先进的电火花加工机床如瑞士阿奇(AGIE)公司生产的电火花加工机床以融入智能控制技术构成其特点。
融入智能技术的机床可以实现加工过程的模糊控制、自适应控制,能够根据放电加工的状态调节伺服系统,从而改善加工状态,提高加工效率[24-25]。
此外,氧气介质中电火花加工也是提高电火花加工速度的方法之一, 研究发现以氧气为介质的加工速度并不逊色于液中加工。
因此加强对氧气的气中放电加工研究,有望实现电火花加工速度新突破[26]。
1·4绿色的电火花加工以及复合加工不使用液体冷却或加工,而利用气体作为工作介质的“干式”加工,即绿色制造是制造业的发展方向之一[27]。
具体到电火花加工领域,传统的电火花成形加工主要的污染源之一是工作液,尤其是碳氢化合物的油类工作液。
这类工作液是高分子碳氢化合物,具有较强的挥发性。
加工时的高温使油分解产生大量的分解物,这些分解物主要以烟气的形式排放出来,其主要成分为H2、C2H2、C2H4、CO2、CO等, 这些气体对机床操作人员的健康不利,而且对环境有害,还能够分解老化机床上的密封件。
据分析碳氢油类化合物排出的废物的毒性对环境影响作用最大,对人体有害的影响在几年内都存在[28-29],可能还会引起各种不适的反应如皮炎等。
加工产生的电蚀产物和液体电介质混合后形成的油泥、电介质的废物、过滤残渣、电离树脂等均需得到正确的处理。
否则,容易对土地和水源造成污染。
此外,油类作为工作液还有火灾的隐患。
用气体介质取代液体介质,可以实现电火花的绿色加工。
这是因为,气中电火花加工过程不产生有害的气体,不会对对操作人员的健康产生有害的影响,而且没有令人头疼的废物处理问题,尤其是使用资源丰富的空气,发展前景可观。
目前,气中电火花加工还处在实验研究阶段,对其的研究应进一步加强。
此外,目前在电火花加工领域,对电火花加工工作介质的研究正逐渐引起人们的注意,如混气加工方式、雾中电火花加工、水基工作介质的研究以及对高速走丝线切割加工工作液的研究等[30-32]。
当然, 电火花加工的绿色化还包括高效节能电源的研制、提高电火花脉冲电源的电磁兼容性等[33]。
电火花加工技术同其它加工技术的复合加工是一种发展策略。
常见的复合加工方法之一有电火花加工和超声加工的复合。
将超声振动引入到在微细电火花加工中,可以提高电火花的加工速度[34]。
混粉电火花加工与超声加工复合来改善工件加工表面的放电凹坑的形状和分布,从而形成更好的加工表面质量[35]。
针对气中电火花加工速度普遍较低的情况(氧气除外),出现了超声振动和气中电火花加工的复合技术的研究,使得气中加工的速度得以提高[36]。
笔者认为气体介质中电火花加工技术具有清洁制造的特点, 该加工方法可以方便与其它加工方法组合,形成集成加工是其发展的方向之一。
另外,电火花加工与电化学加工复合加工(ECDM)的研究将进一步深入。
该加工方法综合了电火花加工和电化学加工的优点,将电火花熔蚀作用与电化学腐蚀作用相结合,采用较高的脉冲电压,加工时在电极的端面间隙处会产生放电电弧,金属被熔蚀抛出时在工件表面产生热损伤层,随即此热损伤层被电化学蚀除作用所去除, ECDM既有较高的加工效率,又有高的表面加工质量[37]。